Устройство для формирования рисунков - RU2257603C2

Чертежи

Описание

Область изобретения

Настоящее изобретение относится к печати рисунков с чрезвычайно высокой точностью на фоточувствительных поверхностях, например фотошаблонах для полупроводниковых приборов и дисплеев. Оно также относится к непосредственной записи рисунков полупроводниковых приборов, панелей дисплеев, интегральных оптических приборов и электронных структур взаимосвязи. Более того, оно может иметь применение к другим типам прецизионной печати, таким как печатание денежных документов. Термин "печать" следует понимать в широком смысле, имея в виду экспонирование фоторезиста и фотоэмульсии, а также действие света на светочувствительные среды типа промокательной бумаги, абляцию или химические процессы, активизируемые под действием света или высокой температуры. Понятие света в этом описании ограничивается излучением крайней ультрафиолетовой области (КУФ, EUV). КУФ-излучение в этом описании определяется как диапазон от 100 нм и ниже, до тех пор, пока излучение можно трактовать как свет. Типичная длина волны для КУФ составляет 13 нм.

В другом смысле изобретение относится к технике и науке пространственных модуляторов света и проекционных дисплеев и принтеров, использующих такие модуляторы. В частности, оно улучшает яркостные свойства, стабильность изображения при наведении на резкость и однородность изображения, а также обработку данных для таких модуляторов посредством применения метода аналоговой модуляции. Наиболее важное использование аналоговой модуляции состоит в том, чтобы формировать изображение в высоко-контрастном материале, таком как фоторезист с адресной сеткой, то есть приращение, посредством которого уточняется положение края в рисунке, которое является намного более тонким, чем сетка, создаваемая пикселями пространственного модулятора света.

Уровень техники, к которой относится изобретение

Из уровня техники известно построение прецизионных генераторов рисунков с использованием проектирования микрозеркальных пространственных модуляторов света (SLM, ПМС) типа микрозеркал (Nelson 1988, Kuck 1990). Использование ПМС модулятора в генераторе рисунков имеет ряд преимуществ по сравнению с более широко распространенным способом использования сканирования лазерных пятен: ПМС модулятор является устройством большой емкости, и количество пикселей, которые могут быть записаны в секунду, является чрезвычайно высоким. Оптическая система также более простая в том смысле, что освещение ПМС модулятора не является критическим, в то время как в лазерном сканере весь путь луча должен быть построен с высокой точностью. По сравнению с некоторыми типами сканеров, в частности электрооптическими и акустооптическими сканерами, микрозеркальный ПМС модулятор может использоваться на более коротких длинах волн, так как он является полностью отражающим устройством.

В обеих процитированных выше ссылках пространственный модулятор использует только амплитудную манипуляцию в каждом пикселе. Входные данные преобразуются в карту пикселей с глубиной один бит, то есть со значениями 0 и 1 в каждом пикселе. Преобразование может быть осуществлено с эффективным использованием графических процессоров или специальной логики с инструкциями закрашивания области.

В предыдущем описании этого же изобретателя Sandstrom (Sandstrom и соавт. 1990) была описана способность использовать промежуточное значение экспозиции на границе элемента рисунка для точного регулирования положения края элемента в изображении, создаваемом лазерным сканером.

Из уровня техники также известно создание полутонового изображения, предпочтительно для проекционного дисплея видеоизображений и для печати, с помощью ПМС модулятора, посредством вариации времени, в течение которого пиксель включается, или посредством печати одного и того же пикселя несколько раз с включением пикселя изменяющееся число раз. Настоящее изобретение обеспечивает систему для непосредственной генерации полутоновой шкалы с помощью пространственного модулятора света со специфическим подходом к генерации ультрапрецизионных рисунков. Важными аспектами в предпочтительных вариантах реализации являются однородность изображения от пикселя к пикселю и независимость точного расположения элемента рисунка относительно пикселей ПМС модулятора, а также стабильность, когда фокус изменяется либо заданно, либо случайно.

В частности, в традиционных генераторах рисунков излучение КУФ не может быть использовано для освещения. Это обусловлено тем, что КУФ требует отражательной оптики. Кроме того, КУФ имеет очень маленькую длину волны, и, таким образом, оно могло бы быть использовано для печати очень детальных рисунков. Однако это требует очень высокой скорости передачи данных, которую невозможно получить с помощью традиционной техники.

Оптические генераторы рисунков для микролитографии обычно используют свет в диапазоне длин волн 350-450 нм и имеют ограниченное оптическое разрешение. Новое поколение генераторов рисунков, использующих далекий ультрафиолет, то есть длины волн вблизи 250 нм, находится в развитии, но коммерчески недоступно. Это новое поколение устройств приблизительно удвоит оптические разрешение, но законы физики и доступность подходящих оптических материалов и источников света затрудняют дальнейшее увеличение разрешения.

Сущность изобретения

Следовательно, задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить генератор рисунков, использующий КУФ для освещения.

Решение этой задачи достигается с помощью устройства согласно приложенной формуле изобретения.

Устройство для создания рисунка с чрезвычайно высоким разрешением на заготовке, такого как рисунок на полупроводниковом чипе с линиями шириной 50 нм, содержит источник для испускания электромагнитного излучения в диапазоне длин волн 100 нм и ниже, до тех пор, пока излучение можно трактовать как свет, при этом прохождение излучения осуществляется в вакууме, пространственный модулятор, имеющий множество модулирующих многозначных элементов изображения, адаптированных для их освещения упомянутым излучением, проекционную систему, формирующую изображение модулятора на заготовке, электронную систему обработки и подачи данных, принимающую цифровое описание рисунка, подлежащего записи, выделяющую из него последовательность частичных рисунков, преобразующую упомянутые частичные рисунки в сигналы модулятора и подающую упомянутые сигналы в модулятор, прецизионную механическую систему для перемещения упомянутой заготовки и/или проекционной системы друг относительно друга, электронную систему управления, координирующую перемещение заготовки, подачу сигналов в модулятор и интенсивность излучения, так чтобы упомянутый рисунок сшивался вместе от частичных изображений, созданных последовательностью частичных рисунков.

При этом пространственный модулятор является отражающим. При этом устройство дополнительно содержит формирующую линзу, которая имеет кольцеобразное поле, а пространственный модулятор света имеет кольцеобразную апертуру.

Кроме того, пространственный модулятор света работает на основе явления дифракции.

Пространственный модулятор света может представлять собой твердую пластинку из пьезоэлектрического материала с отражающей фронтальной поверхностью, которая деформируется в ответ на электрические напряжения адресации, таким образом создавая модуляцию волнового фронта.

При этом пространственный модулятор света может быть подключен к активному полупроводниковому чипу.

Кроме того, излучение составляет наклонный угол с пространственным модулятором света.

Ранее известные технологии, включая оптическое сканирование, сфокусированные пучки частиц или рентгеновское излучение, не в состоянии достигать такой комбинации рабочих характеристик и пропускной способности.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретных вариантов его воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

фиг.1 изображает принтер из уровня техники, ПМС модулятор, состоящий из микрозеркал, которые отклоняют свет от зрачка линзы,

фиг.2 изображает набор конструкций пикселей с четырьмя верхними пикселями в выключенном состоянии и остальными пятью пикселями включенными,

фиг.3 изображает матрицу пикселей, двигающихся вверх и вниз подобно поршням, таким образом создавая разность фаз, это - пример того, как можно точно позиционировать край с ПМС модулятором фазового типа,

фиг.4 изображает схематическое сравнение между ПМС модулятором с отклоняющимися зеркалами и ПМС модулятором с деформируемыми зеркалами,

фиг.5 изображает схему процесса способа передачи и ввода данных в ПМС модулятор,

фиг.6 изображает предпочтительный вариант реализации генератора рисунков согласно изобретению, и

фиг.7 изображает предпочтительный вариант реализации генератора рисунков согласно изобретению, когда в качестве излучения используется КУФ-излучение.

Подробное описание предпочтительных вариантов воплощения

Основу для понимания изобретения составляет характерная схема на фиг.1, которая изображает характерный проекционный принтер с ПМС модулятором. Пространственные модуляторы света, основанные на отражении, подразделяются на два класса, отклоняющего типа (Нельсон) и фазового типа (Kuck). В частном случае с микрозеркалами разница между этими модуляторами кажется небольшой, но фазовый ПМС модулятор гасит луч в направлении зеркального отражения посредством ослабляющей интерференции, в то время как пиксель в ПМС модуляторе отклоняющего типа отклоняет зеркально отраженный луч геометрически в одну сторону так, чтобы он не попал в апертуру формирующей изображение линзы, как показано на фиг.1. Для ультрапрецизионной печати, как представлено в настоящем изобретении, система фазовой модуляции, как описано у Kuck 1990, превосходит систему отклоняющего типа. Во-первых, она имеет лучший контраст, поскольку все части поверхности, а также стойки и несущая рама принимают участие в ослабляющей интерференции, и может быть достигнуто полное гашение. Во-вторых, систему, которая работает по принципу отклонения света в сторону, трудно сделать симметричной относительно оптической оси под промежуточными углами отклонения, создавая риск нестабильности элементов рисунка при изменении фокуса. В предпочтительных вариантах реализации используется фазовый тип, но если предположить или спроектировать асимметрию в системе отклоняющего типа, то ее также можно использовать. Это схематически иллюстрируется на фиг.4. На фиг.4а освещается неотклоненное микрозеркало 401, и отраженный свет не направляется в апертуру 402, и, следовательно, свет не достигает подложки 403. На фиг.4б, наоборот, зеркало полностью отклонено, и весь отраженный свет направляется в апертуру. В промежуточном положении только часть отраженного света достигает подложки, что показано на фиг.4в. Однако в этом случае свет не является симметричным относительно оптической оси линзы 404, и имеется отклоненное падение света на подложку. В связи с этим расстояние между линзой и участком подложки становится очень критическим, и небольшие изменения типа, показанного пунктирной линией для участка, вызывают значительные смещения элементов рисунка на подложке. Путь решения этой проблемы показан на фиг.4г-4е. Здесь первая экспозиция осуществляется с первым углом отклонения для микрозеркала, и после этого вторая экспозиция, предпочтительно с той же самой дозой облучения, осуществляется для второго угла отклонения, являющегося комплементарным к первому углу. В связи с этим комбинация первой и второй экспозиций является симметричной относительно оптической оси линзы. Другой способ решения проблемы состоит в том, чтобы использовать деформирующееся зеркало 401' типа, показанного на фиг.4ж, посредством чего отраженный свет равномерно распределяется по апертуре. Этот последний чертеж мог бы схематично представлять два случая, ПМС модулятор фазового типа (описанный ниже) или ПМС модулятор отклоняющего типа, в котором свет отражается от различных частей зеркала.

Фазовый ПМС модулятор может быть построен либо с зеркалами, изготовленными механической микронной обработкой, так называемыми микрозеркалами, либо с использованием непрерывной поверхности зеркала на поддерживающей подложке, которую можно деформировать, используя электронный сигнал. В публикации Kuck 1990 используется вязкоупругий слой, управляемый электростатическим полем, но одинаково возможно, особенно для очень коротких длин волн, где достаточны деформации порядка нескольких нанометров, использовать пьезоэлектрический твердый диск, который деформируется электрическим полем, или другую электрически, магнитно или термически управляемую отражающую поверхность. В конце этого описания выбирается электростатически управляемая матрица микрозеркал (одно- или двумерная), хотя возможны другие вышеописанные схемы, такие как пропускающие или отражающие ПМС модуляторы, механизм модуляции которых основан на жидких кристаллах или электрооптических материалах, или микромеханические ПМС модуляторы, использующие пьезоэлектрическое или электрострикционное возбуждение.

Изобретение предпочтительно использует микрозеркало, в котором фазовая модуляция является варьируемой для получения переменного количества света, достигающего зрачка проекционной линзы. Фиг.2 изображает некоторые многоэлементные зеркала. Наклоны различных частей зеркал не существенны. Фактически один элемент сам по себе мог бы направлять свет к линзе, в то время как другой мог бы направлять свет вне зрачка. Правильный подход для понимания работы состоит в том, чтобы рассматривать комплексную амплитуду, достигающую центра зрачка из каждого бесконечно малого элемента участка зеркала, и интегрировать амплитуду по зеркалу. С подходящей формой зеркала возможно найти деформацию, при которой комплексные амплитуды складываются почти до нуля, что соответствует тому, что свет вообще не достигает зрачка. Это состояние выключения микрозеркала, тогда как состояние релаксации, в котором поверхность зеркала является плоской, и комплексные амплитуды складываются по фазе, является состоянием включения. Между состояниями включения и выключения количество света в направлении зеркального отражения является непрерывной и нелинейной функцией деформации.

Рисунок, который должен быть записан, обычно представляет собой двоичный рисунок, такой как рисунок фотошаблона в хроме на стеклянной подложке. В этом контексте термин "двоичный" означает, что нет никаких промежуточных участков: некоторая точка на поверхности фотошаблона является либо темной (покрытой хромом), либо светлой (без хрома). Рисунок экспонируется на фоторезисте посредством проектированного изображения из ПМС модулятора, и фоторезист проявляется. Современные фоторезисты имеют высокий контраст, означая, что небольшое процентное изменение в экспозиции дает разницу между состоянием полного удаления фоторезиста в проявителе и состоянием почти совсем без удаления. Поэтому фоторезист имеет край, который обычно является почти перпендикулярным к поверхности подложки, даже несмотря на то, что изображение в воздухе имеет постепенный переход между светом и темнотой. Травление хрома дополнительно увеличивает контраст, так что результирующее изображение является совершенно двоичным: либо темным, либо светлым без промежуточных участков.

Входные данные находятся в цифровом формате, описывающем геометрию рисунка, который должен быть записан на поверхности. Входные данные часто задаются в очень маленькой адресной единице, например 1 нанометр, хотя установка пикселей в ПМС модуляторе либо в состояние включения, либо в состояние выключения дает более грубый рисунок. Если пиксель на ПМС модуляторе проектируется в пиксель 0.1 мкм в изображении, то линия может только иметь ширину, которая равна целому числу пикселей (n*0.1 мкм, где n - целое число). До недавнего времени была достаточной адресная сетка с шагом 0.1 мкм, но появление так называемой коррекции оптического эффекта близости (КОЭБ) делает желательной сетку с шагом 1-5 нанометров. При КОЭБ коррекции размер элементов рисунка в шаблоне незначительно изменяется с целью компенсации прогнозированных погрешностей оптического изображения при использовании шаблона. Так, например, когда шаблон с четырьмя параллельными линиями шириной 0.8 мкм печатается в современном шаговом двигателе с 4Х редуктором (проекционный принтер для полупроводниковых кристаллических пластин), в типичном случае они будут напечатаны как линии шириной 0.187, 0.200, 0.200 и 0.187 мкм, хотя они должны были иметь одинаковую ширину. Это можно прогнозировать, моделируя формирование изображения, и пользователь шаблона может использовать КОЭБ коррекцию, чтобы сделать компенсацию в шаблоне, следовательно, он хочет первую и последнюю линии в шаблоне сделать такими, чтобы получилось 4*0.213=0.852 мкм вместо 0.800 мкм. С адресной сеткой с шагом 0.1 мкм он не может сделать коррекцию, но с адресной сеткой с шагом 5 нм или меньше такая коррекция возможна.

На фиг.5 изображена блок-схема процесса способа обеспечения данных для ПМС модулятора. На первом шаге Ш1 данные рисунков для рисунков, подлежащих записи, должны делиться на отдельные поля рисунков. Данные рисунков предпочтительно принимаются в цифровой форме. После этого на шаге Ш2 поля разбиваются на растры и таким образом присваиваются различным значениям экспозиции. Затем эти значения корректируются на нелинейный отклик на шаге Ш3 и на изменения от пикселя к пикселю, шаг Ш4. Наконец, значения пикселей преобразуются в возбуждающие сигналы и направляются в ПМС модулятор.

Изобретение предпочтительно использует промежуточные значения между состоянием выключения и состоянием включения для создания тонкой адресной сетки, например, составляющей 1/15, 1/25, 1/50 от размера пикселя. Напечатанный элемент рисунка состоит из пикселей в состоянии включения, но по краю он имеет пиксели, установленные на промежуточные значения. Это делается посредством возбуждения пикселей с напряжениями, отличными от напряжений состояний включения и выключения. Поскольку имеется несколько взаимосвязанных нелинейных эффектов (положение края в зависимости от экспозиции на пикселях на границе, экспозиция в зависимости от деформации и деформации в зависимости от электрического поля), то необходимо нелинейное преобразование входных данных в электрическое поле. Кроме того, это преобразование эмпирически калибруется через периодические временные интервалы.

Фиг.3 изображает матрицу пикселей, двигающихся вверх и вниз подобно поршням, таким образом создавая разность фаз. Чертеж изображает, каким образом управляются пиксели для создания отражательной способности во вставке. Яркие участки имеют пиксели с 0 фазой, в то время как темные участки создаются пикселями с чередованием фазы +90 и -90 градусов. Затемненные границы между яркими и темными участками создаются промежуточными значениями фазы. Это пример того, как край может быть точно позиционирован с ПМС модулятором фазового типа. Однако таким же образом могли бы использоваться ПМС модуляторы других типов с промежуточными значениями. Свойства формирования изображения с фазовым ПМС модулятором, возбуждаемом на промежуточные значения, являются сложными, и совсем не очевидно, что на фиг.3 край будет перемещаться. Однако в процессе обширных теоретических расчетов и экспериментов, проведенных изобретателем, было показано, что описанный эффект реален.

Конструкция ПМС модулятора фазового типа

Известную из уровня техники конструкцию зеркала, имеющую форму клеверного листа, можно возбуждать в промежуточные состояния между состояниями включения и выключения. Однако когда чертится график интегральной комплексной амплитуды как функция отклонения, видно, что она никогда полностью не сходится к нулю, но всегда находится только в окрестности нуля, имея, следовательно, отличный от нуля минимальный коэффициент отражения с изменяющимся фазовым углом. Тщательный анализ изображения с некоторыми пикселями, установленными в промежуточные состояния, показал, что положение краев в конечном изображении не устойчиво при прохождении через фокус, если интегральный фазовый угол пикселей края не равен нулю. В предпочтительном варианте реализации изобретения используется новый тип пикселей с элементами поворота. Когда элементы поворачивают зеркало, один конец перемещается к источнику света, а другой конец, дальний от него, таким образом сохраняет среднюю фазу, близкую к нулю. Кроме того, конструкция, имеющая форму клеверного листа, имеет недостаток, характеризуемый встроенным напряжением, созданным во время изготовления. Это напряжение имеет тенденцию давать частичную деформацию без приложенного электрического поля. Начальная деформация не является совершенно одинаковой в каждом пикселе, так как она зависит от дефектов структуры, возникающих при производстве. В конструкции, имеющей форму клеверного листа, эта разница от пикселя к пикселю создает вариацию коэффициента отражения первого порядка. С ячейками пикселей, построенных из элементов поворота, происходит тот же самый эффект, но только эффект второго порядка. Поэтому в спроектированном изображении однородность лучше.

Улучшение изображения

Поворотная конструкция имеет третье преимущество: форма клеверного листа не достигает полного гашения, но поворотной ячейке может быть легко придана геометрия, которая дает полное гашение интенсивности излучения или даже проходит через нулевое и возвращается к небольшому не нулевому отражению, но с реверсированной фазой. При лучшем гашении имеется большая свобода печатать накладывающиеся экспозиции, проектирование для маленьких отрицательных значений дает лучшую линейность, близкую к гашению. Печать на темных участках со слабой экспозицией, приблизительно 5%, с полностью реверсированной фазой может давать увеличенную четкость края на 15-30% и способность печатать меньшие элементы рисунка с данной линзой. Это аналогично так называемым ослабляющим фазосдвигающим шаблонам, которые используются в полупроводниковой промышленности. Связанный способ увеличения остроты края состоит в том, чтобы устанавливать пиксели, которые находятся внутри элемента рисунка, на более низкое значение, а пиксели, находящиеся вблизи края, на более высокое значение. Это дает новый тип улучшения изображения, невозможного при имеющемся в настоящее время проектировании рисунков из шаблонов или при помощи проекторов согласно Нельсону и Kuck. Комбинация ненулевой отрицательной амплитуды на фоне и увеличенной экспозиции по краям не обязательно должна противоречить с созданием тонкой адресной сетки посредством возбуждения краевых пикселей в промежуточные значения, так как эти эффекты являются аддитивными или, по меньшей мере, вычисляемыми. Когда пиксели существенно меньше элемента рисунка, который должен быть напечатан, существует комбинация значений пикселя, которая создает все эффекты одновременно. Чтобы найти их, требуется больше вычислений, чем само по себе формирование тонкой адресной сетки, но в некоторых применениях изобретения способность печатать меньшие элементы рисунка может иметь большое значение, что является вознаграждением за дополнительное усилие.

В случае непрерывного зеркала на вязкоупругом слое имеется собственное балансирование средней фазы к нулю. Моделирование показало, что возбуждение в промежуточные значения для прецизионного позиционирования краев элемента рисунка также работает для непрерывного зеркала. Нелинейности меньше, чем в случае микрозеркал. Но для того чтобы способ хорошо работал, минимальный элемент рисунка должен быть больше, чем с микрозеркалами, то есть должно быть большее число адресованных пикселей, приходящихся на разрешенный элемент рисунка. Последствиями является то, что устройство ПМС модулятора становится больше, и что для заданного рисунка количество данных больше. Поэтому в первом и во втором вариантах реализации были выбраны микрозеркала.

В изобретении пиксель с вращательно-симметричной деформацией (по меньшей мере, симметрия второго порядка, в предпочтительном варианте реализации симметрия четвертого порядка) используется по двум причинам: чтобы дать симметричное освещение зрачка проекционной линзы и чтобы сделать изображение нечувствительным к вращениям. Последнее важно для печати случайного логического рисунка на полупроводниковой кристаллической пластине. Если имеется х-y асимметрия, то транзисторы, размещенные на оси х, будут иметь задержку, отличную от тех, которые расположены по оси y, и схема может работать со сбоями или сможет использоваться только при более низкой тактовой частоте. Два требования инвариантности изображения при прохождении через фокус и симметрии между осями х и y делают очень важным создание и поддержание симметрии в оптической системе. Симметрия может быть либо собственной, либо она может быть создана посредством преднамеренного балансирования асимметричных свойств, типа использования многократных экспозиций с комплементарными асимметричными свойствами. Однако, поскольку многократные экспозиции приводят к уменьшенной пропускной способности, настоятельно рекомендуются собственно симметричные схемы.

Описание предпочтительных вариантов реализации изобретения

Первым предпочтительным вариантом реализации является генератор рисунков с использованием излучения далекого УФ-диапазона для фотошаблонов, в котором используется ПМС модулятор из 2048×512 микрозеркал. Источником света является KrF-эксимерный лазер импульсного излучения на длине волны заявленного интервала, с длительностью импульсов приблизительно 10 нс и с частотой повторения 500 Гц. ПМС модулятор имеет алюминиевую поверхность, которая отражает более 90% света. ПМС модулятор освещается лазером через осветитель с кодированием интенсивности луча, отраженный свет направляется в проекционную линзу и далее на фоточувствительную поверхность. Падающий луч от осветителя и луч, выходящий в линзу, отделяются полупрозрачным светоделительным зеркалом. Предпочтительно зеркало является поляризационно-избирательным, а осветитель использует поляризованный свет, направление поляризации которого переключается четвертьволновой пластинкой, расположенной перед ПМС модулятором. Для обеспечения х- и y-симметрии при высокой числовой апертуре (NA) изображение должно быть симметрично поляризованным, и вторая четвертьволновая пластинка между делителем луча и проекционной линзой создает изображение с круговой поляризацией. Более простая схема установки будет тогда, когда энергия лазерного импульса позволяет использовать неполяризующий делитель луча. После второго прохождения через делитель луча четвертьволновая пластинка также имеет преимущества, так как она делает конструкцию светоделительного покрытия менее чувствительной. Простейшая схема установки состоит в том, чтобы использовать наклонное падение на ПМС модулятор, так, чтобы лучи от осветителя и на проекционную линзу были геометрически отделены, как показано на фиг.1.

Пиксели микрозеркал имеют размеры 20×20 мкм, а проекционная линза дает уменьшение 200Х, давая пиксель ПМС модулятора, соответствующий 0.1 мкм на изображении. Линзой является монохроматическая ДУФ-линза с числовой апертурой NA=0.8, дающая функцию уширения точечного источника с FWHM=0.17 мкм (полная ширина фокального пятна на половине максимальной интенсивности). Минимальные линии, которые могут быть записаны с хорошим качеством, составляют 0.25 мкм.

Заготовка, например фотошаблон, перемещается под линзой на столике, управляемом интерферометром, и логические сигналы интерферометра подаются на лазер, чтобы производить вспышку. Поскольку вспышка длится только 10 нс, во время экспозиции перемещение столика замораживается, и печатается изображение размерами 204.8×51.2 мкм, обеспеченное ПМС модулятором. Спустя 2 миллисекунды столик передвигается на 51.2 мкм, осуществляется новая вспышка, и печатается новое изображение, обеспеченное ПМС модулятором, впритык с первым изображением. Между экспозициями система ввода данных загружает в ПМС модулятор новое изображение так, чтобы из сшитых вспышек был составлен большой рисунок. Когда оказывается записанным полный столбец, столик продвигается в перпендикулярном направлении, и начинается новая строка. Таким путем может быть записан рисунок любого размера, хотя в первом предпочтительном варианте реализации обычно записываются рисунки размером 125×125 мм. Чтобы записать этот размер рисунков, требуется 50 минут плюс время для перемещения между последовательными столбцами.

Каждый пиксель может управляться в пределах 25 уровней (плюс ноль), таким образом, интерполируя пиксель размером 0.1 мкм на 25 приращений по 4 нанометра каждое. Преобразование данных берет геометрическую спецификацию рисунков и переводит ее в карту пикселей, установленных в состояния включения и выключения или промежуточного отражения. Информационный канал должен подавать в ПМС модулятор данные со скоростью 2048*512*500 слов в секунду, практически 524 Мегабайта данных пикселя в секунду. В предпочтительном варианте реализации подлежащая записи площадь составляет максимально 230×230 мм, давая максимум 230/0.0512=4500 вспышек в столбце, а столбец записывается за 4500/500=9 секунд. Количество данных пикселей, необходимых в одном столбце, составляет 9×524=4800 Мбайт. Чтобы уменьшить количество передаваемых и буферизованных данных, используется сжатый формат, подобно описанному в публикации Sandstrom и соавт. 90, но с той разницей, что вместо сегментов сжимается карта элементов изображения (пикселей), с длиной и значением. Жизнеспособная альтернатива состоит в том, чтобы для уменьшения количества передаваемых и буферизованных данных сразу создавать карту пикселей и использовать коммерчески доступные процессоры аппаратных средств для уплотнения и декомпрессии. Даже с уплотнением количество данных в полном шаблоне делает крайне непрактичным сохранение на диске предварительно разбитых данных, но данные пикселей должны быть сформированы, когда они используются. Матрица процессоров растеризует изображение параллельно в сжатый формат и передает сжатые данные в схему расширителя, снабжающую ПМС модулятор данными пикселей. В предпочтительном варианте реализации процессоры растеризуют различные части изображения и буферизуют результат перед его передачей в буфер ввода схемы расширителя.

Описание второго предпочтительного варианта реализации изобретения

Во втором предпочтительном варианте реализации изобретения лазером является ArF-эксимерный лазер с длиной волны заявленного интервала и частотой следования импульсов 500 Гц. ПМС модулятор имеет 3072×1024 пикселей размером 20*20 мкм, а линза имеет уменьшение 333Х, дающее спроектированный пиксель размером 0.06 мкм. Имеется 60 промежуточных значений и адресная сетка с шагом 1 нанометр. Функция уширения точечного источника составляет 0.13 мкм, а минимальная линия составляет 0.2 мкм. Скорость передачи данных 1572 Мбайт/сек, и объем данных в одном столбце длиной 230 мм составляет 11.8 Гб.

Третий предпочтительный вариант реализации изобретения идентичен со вторым, за исключением того, что матрица пикселей поворачивается на 45 градусов, и сетка пикселей составляет 84 мкм, давая спроектированное разнесение пикселей по осям x и y, равное 0.06 мкм. Лазером является ArF-эксимерный лазер, а линза имеет уменьшение 240. Из-за вращаемой матрицы плотность пикселей в матрице меньше, и объем данных составляет половину объема предыдущего варианта реализации, но с тем же самым адресным разрешением.

Вариации лазерного излучения от импульса к импульсу

Эксимерный лазер имеет два нежелательных свойства: 5% изменения энергии от импульса к импульсу и 100 нс нестабильность появления излучения (джиттер) во времени от импульса к импульсу. В предпочтительных вариантах реализации оба эффекта компенсируются аналогичным образом. Первая экспозиция осуществляется для всего рисунка с 90% мощностью. Регистрируются фактическая энергия вспышки и момент времени для каждой вспышки. Вторая экспозиция осуществляется с 10% от номинальной мощности экспозиции с использованием аналоговой модуляции для того, чтобы осуществить вторую экспозицию в пределах 5-15% мощности, в зависимости от фактического значения первой. Аналогично, заданный временной сдвиг во второй экспозиции может компенсировать нестабильность появления излучения в первой. Вторая экспозиция может полностью компенсировать ошибки в первой, но сама даст новые ошибки того же самого типа. Поскольку она составляет в среднем только 10% полный экспозиции, обе ошибки эффективно уменьшаются в десять раз. Практически лазер имеет нестабильность появления излучения, которая намного больше 100 нс, так как световой импульс появляется после задержки от запускающего импульса, и эта задержка варьируется на пару микросекунд от раза к разу. В пределах короткого промежутка времени задержка является более стабильной. Поэтому задержка непрерывно измеряется, и последние значения задержки, соответственно отфильтрованные, используются для того, чтобы прогнозировать следующую задержку импульса и выбирать положение запускающего импульса.

Можно таким же образом осуществлять коррекции для нестабильностей положения столика, а именно, если регистрируются ошибки положения столика, то столик перемещается с компенсирующим движением на второй экспозиции. Любые ошибки позиционирования, которые могут быть измерены, в принципе могут быть таким образом скорректированы частично или полностью. Необходимо иметь быстрый сервомотор для перемещения столика к вычисленным точкам в течение второй экспозиции. Известно, что в уровне техники ПМС модулятор непосредственно устанавливают на столике с малой длиной тактового хода и коротким временем отклика и используют его для точного позиционирования изображения. Другая такая же полезная схема состоит в том, чтобы использовать зеркало с пьезоэлектрическим управлением в оптической системе между ПМС модулятором и поверхностью изображения, выбор между ними двумя делается из практических соображений. Также возможно добавлять смещения положения к данным в поле экспозиции, и таким образом, впоследствии перемещать изображение.

Вторая экспозиция предпочтительно осуществляется с ослабляющим фильтром между лазером и ПМС модулятором так, чтобы полный динамический диапазон ПМС модулятора мог использоваться в пределах диапазона 0-15% от номинальной экспозиции. С 25 промежуточными уровнями можно регулировать экспозицию с шагом 15%*1/25=0.6%.

Отклик незначительно изменяется пикселя к пикселю из-за погрешностей изготовления и, потенциально, также от старения. Результатом является нежелательная неоднородность в изображении. Где требования изображения очень высоки, может быть необходимо корректировать каждый пиксель посредством умножения на обратную функцию отклика пикселей, которая хранится в справочной памяти. Еще лучше применять полином с двумя, тремя или более членами для каждого пикселя. Это может быть выполнено в аппаратных средствах в логике, которая управляет ПМС модулятором.

В более сложном предпочтительном варианте реализации несколько коррекций объединяются во вторую корректирующую экспозицию: изменения энергии от импульса к импульсу, нестабильность появления излучения и также известные различия в отклике между пикселями. Пока коррекции малы, то есть несколько процентов в каждом, они будут складываться приблизительно линейно, поэтому коррекции могут быть просто сложены прежде, чем они поступят в ПМС модулятор. Сумма умножается на значение желательной дозы экспозиции в этом пикселе.

Альтернативные источники освещения

Эксимерный лазер имеет ограниченную частоту повторения импульсов (prf) 500-1000 Гц в зависимости от длины волны и типа лазера. Это дает большие поля с краями сшивания в обоих направлениях x и y. В двух других предпочтительных вариантах реализации ПМС модулятор освещается импульсным лазером с намного большей частотой повторения, например, преобразованным по частоте вверх излучением твердотельного лазера с модуляцией добротности, и с непрерывным лазерным источником, сканирующим по поверхности ПМС модулятора таким образом, чтобы одна часть ПМС модулятора загружалась новыми данными, в то время как другая часть печатается. В обоих случаях когерентные свойства лазеров отличаются от свойств эксимерного лазера, и требуется более расширенное управление кодированием луча и когерентностью, например многочисленные параллельные пути света с различными длинами путей. В некоторых реализациях изобретения является достаточным световой выход излучения от лампы-вспышки, и она может использоваться в качестве источника света. Преимуществами являются низкая стоимость и хорошие когерентные свойства.

В предпочтительном варианте реализации со сканирующим освещением решаются две проблемы: вариации от импульса к импульсу во времени и по энергии, поскольку сканирование осуществляется при полном контроле, предпочтительно с использованием электрооптического сканера, например акустооптического или электрооптического, а также многие непрерывные лазеры имеют меньшую флюктуацию мощности, чем импульсные лазеры. Кроме того, использование непрерывных лазеров дает различный выбор длин волн, и непрерывные лазеры менее опасны для глаз, чем импульсные лазеры. Более важным, однако, является возможность достижения намного более высоких скоростей передачи данных с матрицей всего в несколько линий, поскольку сканирование не критично и может быть выполнено с частотой повторения 100 кГц или выше. Сканирование луча освещения также является способом создания очень равномерного освещения, которое в противном случае осуществить трудно.

В некоторых вариантах реализации можно и желательно в качестве источника освещения использовать лампу-вспышку.

КУФ-излучение

Источники света для КУФ основаны на использовании излучения от ускорителя частиц, от установки с плазменным разрядом в магнитном поле или от нагревания маленькой капли вещества до чрезвычайно высоких температур мощным лазерным импульсом. В любом случае излучение является импульсным. КУФ-излучение распространяется только в вакууме и может быть сфокусировано только посредством отражательной оптики. Типичный генератор рисунков, использующий ПМС модулятор, имеет маленькое поле экспозиции и умеренные требования к оптической мощности. Следовательно, с использованием КУФ-излучения конструкция оптической системы упрощается по сравнению с таковой для шагового двигателя, позволяя использовать больше зеркал и доходить до более высоких значений числовой апертуры, чем в шаговом двигателе. Ожидается, что линза с высокой числовой апертурой будет иметь кольцеобразное поле экспозиции, и полностью возможно адаптировать форму ПМС модулятора к такому полю. С длиной волны 13 нм и числовой апертурой NA=0.25 можно экспонировать линии, которые имеют ширину всего 25 нм, а используя увеличение изображения, как описано ниже, даже менее 20 нм. Никакая другая известная технология записи не может достичь такого разрешения, и в то же самое время такой скорости записи, которая становится возможной вследствие параллельного принципа работы ПМС модулятора.

Перекрытие краев

Поскольку двумерное поле печатается для каждой вспышки, и поля сшиваются впритык, сшивание является очень критическим. Смещение одного поля всего на несколько нанометров создаст погрешности рисунка по тем краям, которые являются видимыми и потенциально вредными для функции электронной схемы, производимой из шаблона. Эффективный путь снижения нежелательных эффектов сшивания состоит в том, чтобы печатать один и тот же рисунок за несколько прохождений, но со смещением границ сшивания между прохождениями. Если рисунок печатается четыре раза, то погрешность сшивания произойдет в четырех положениях, но только с четвертой частью величины. В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения способность создавать промежуточные экспозиции используется вместе с полосой перекрывания между полями. Значения вычисляются во время растеризации, хотя это также можно было бы делать во время разворачивания сжатых данных. Перекрытие краев уменьшает погрешности сшивания с намного меньшими потерями производительности, чем при многопроходной печати.

Модифицированное освещение

В первом предпочтительном варианте реализации освещение ПМС модулятора осуществляется эксимерным лазером и световым скремблером, таким как матрица фасеточных линз типа "мушиный глаз" для создания освещения, которое имеет сходство с освещением из круглой самосветящейся поверхности в плоскости зрачка осветителя. Для увеличения разрешения при печати со специфической проекционной системой можно использовать модифицированное освещение. В наиболее простых случаях в плоскость зрачка осветителя вводятся фильтры зрачка, например, с кольцеобразным участком пропускания или с участком пропускания в форме четырехугольника. В более сложном случае одно и то же поле печатается несколько раз. Можно сделать так, чтобы между экспозициями варьировалось несколько параметров, таких как фокус в плоскости изображения, рисунок освещения, данные, поступающие в ПМС модулятор, и фильтр зрачка в плоскости зрачка проекционной оптики. В частности, увеличенное разрешение может дать синхронизированная вариация освещения и фильтра зрачка, особенно, если зрачок имеет секторообразный участок пропускания, и освещение, центрированное так, чтобы недифрагированный свет перекрывался на поглощающей диафрагме около вершины сектора.

Линеаризация отклика

По существу, имеется три способа линеаризации передаточной функции из данных для позиционирования края:

- учет нелинейности в блоке преобразования данных и генерация 8-разрядных (как пример) значений пикселей в блоке преобразования данных и использование цифроаналоговых преобразователей ЦАП с одинаковым разрешением для возбуждения ПМС модулятора,

- генерация цифровых значений с меньшим количеством значений, например 5-разрядных, или до 32 значений, и их преобразование в 8-разрядное значение в справочной таблице (LUT) и затем подача 8-разрядных значений в ЦАП-преобразователи,

- использование 5 разрядного значения и полупроводниковых переключателей для выбора постоянного напряжения, которое генерируется одним или несколькими ЦАП-преобразователями с высоким разрешением.

В любом случае возможно измерять эмпирическую калибровочную функцию таким образом, чтобы отклик на пластинке был линеаризованным, когда упомянутая функция применяется соответственно к блоку преобразования данных, справочной таблице или к постоянным напряжениям.

Какую именно схему линеаризации следует использовать, зависит от скорости передачи данных, от требований к точности, а также от доступной технологии схем, которая может изменяться через какое-то время. В настоящее время блок преобразования данных является узким местом, и поэтому решение о линеаризации в блоке преобразования данных либо о генерации 8-разрядных значений пикселей не является предпочтительным. Быстродействующие ЦАП-преобразователи дороги и потребляют много мощности, и наиболее подходящее решение состоит в том, чтобы генерировать постоянные напряжения и использовать переключатели. Тогда возможно использовать даже более высокое разрешение, чем 8 разрядов.

Описание предпочтительного генератора рисунков

Как изображено на фиг.6, генератор рисунков содержит ПМС модулятор 601 с индивидуальной или многозначной адресацией пикселей, источник 602 освещения, устройство 603 освещения с кодированием луча, формирующую изображение оптическую систему 604, столик 605 точного позиционирования подложки с интерферометрической системой 606 управления положением и систему 607 аппаратных средств ЭВМ и программного обеспечения обработки данных для ПМС модулятора. Для надлежащего функционирования и легкости работы он также содержит климатическую камеру с управлением температурой, систему загрузки подложек, программное обеспечение для синхронизации движения столика и лазерный запуск экспозиции для достижения оптимальной точности позиционирования рисунков, а также пользовательский интерфейс программного обеспечения.

Освещение в генераторе рисунков осуществляется KrF-эксимерным лазером, дающим вспышку света длительностью 10-20 наносекунд в УФ-области на длине волны заявленного интервала с шириной полосы, соответствующей естественной ширине линии эксимерного лазера. Для избежания искажения рисунков на подложке свет из эксимерного лазера равномерно распределяется по поверхности ПМС модулятора, а также свет имеет достаточно малую длину когерентности, чтобы не создавать на подложке лазерный спекл. Для достижения этих двух целей используется скремблер луча. Он делит луч от эксимерного лазера на несколько лучей с различной длиной пути и затем складывает их, чтобы уменьшить длину пространственной когерентности. Скремблер луча также имеет гомогенизатор луча, состоящий из системы линз, содержащей набор фасеточных линз типа "мушиный глаз", который распределяет свет из каждой точки в лазерном луче из эксимерного лазера равномерно по поверхности ПМС модулятора, давая распределение света по типу "шляпы-цилиндра".

Свет из ПМС модулятора передается и формирует изображение на подложке, находящейся на столике подложек. Это осуществляется с использованием оптической системы Schlieren, описанной Kuck. Линза l₁ с фокусным расстоянием f₁ помещается на расстоянии f₁ от ПМС модулятора. Другая линза l₂ с фокусным расстоянием f₂ помещается на расстоянии 2×f₁+f₂от ПМС модулятора. Тогда подложка находится на расстоянии 2×f₁+2×f₂ от ПМС модулятора. На расстоянии 2×f₁ от ПМС модулятора имеется апертура 608, размер которой определяет числовую апертуру (NA) системы и таким образом минимальный размер элемента рисунка, который может быть записан на подложке. Для корректировки дефектов оптической системы и плоскостности подложки также имеется фокальная система, которая динамически позиционирует линзу l₂ в направлении z с позиционным промежутком 50 микрометров для достижения оптимальных свойств фокусировки. Система линз также корректируется на длину волны для длины волны освещения 248 нанометров и имеет диапазон допустимых отклонений света освещения, по меньшей мере, ±1 нанометр. Свет освещения отражается на формирующую изображение оптическую систему, используя светоделитель 609, который помещается непосредственно над линзой l₁. Для коэффициента уменьшения=250 и числовой апертуры NA=0.62 можно экспонировать элементы рисунка с размером до 0.2 микрометра с хорошим качеством рисунка. С 32 уровнями яркости от каждого пикселя ПМС модулятора минимальный размер сетки составляет 2 нанометра.

Генератор рисунков имеет столик точного позиционирования подложки с интерферометрической системой управления положением. Он состоит из xy стола 605, перемещаемого на воздушной подушке, выполненного из материала "zerodur" с целью минимального теплового расширения. Система сервомотора с интерферометрической системой 606 измерения положения с обратной связью управляет позиционированием столика в каждом направлении. В одном направлении, у, система сервомотора сохраняет столик в фиксированном положении, а в другом направлении, х, столик перемещается с постоянной скоростью. Интерферометрическая система измерения положения используется в х-направлении, чтобы запускать лазерные вспышки экспозиции, чтобы давать равномерное положение между каждым изображением ПМС модулятора на подложке. Когда полная строка изображений ПМС модулятора оказывается экспонированной на подложке, столик перемещается назад в исходное положение в направлении х и перемещается на одно приращение изображения ПМС модулятора в направлении y, чтобы экспонировать другую строку изображений ПМС модулятора на подложке. Эта процедура повторяется до тех пор, пока не будет экспонирована вся подложка.

Изображения ПМС модулятора перекрываются с множеством пикселей в обоих х- и y-направлениях, и рисунок данных экспозиции локально изменяется в перекрывающихся пикселях для того, чтобы компенсировать увеличенное число экспозиций, которые приводят к таким перекрывающимся участкам.

Вариации интенсивности излучения эксимерного лазер от импульса к импульсу компенсируются посредством использования двухпроходной экспозиции рисунка, где первый проход выполняется с использованием номинальной интенсивности, составляющей 90% от исходной интенсивности. При первом проходе измеряется и запоминается фактическая интенсивность в каждой лазерной вспышке. Во втором проходе используется скорректированная интенсивность для каждой экспозиции изображения ПМС модулятора, основанная на измеренных значениях интенсивности в первом проходе. Таким образом, влияние вариаций интенсивности от импульса к импульсу эксимерного лазера возможно снизить на один порядок величины.

Функциональные возможности ПМС модулятора полностью описаны в этом описании в другом месте. Он имеет 2048×256 пикселей с размером пикселя 16 микрометров, и имеется возможность адресовать все пиксели в пределах 1 миллисекунды. ПМС модулятор жестко монтируется на прецизионном столике. Этот прецизионный столик способен перемещаться на 100 микрон в направлениях x и y с точностью лучше 100 нанометров между каждой экспозицией вспышки. Прецизионное позиционирование ПМС модулятора используется для корректировки погрешности положения столика, позиционирования подложек для дополнительного снижения погрешностей сшивания рисунков. В дополнение к x-y позиционированию также имеется возможность вращения столика ПМС модулятора, чтобы экспонировать на подложке рисунок с углом, отличным от угла, задаваемого системой координат столика подложек. Цель такого вращения состоит в том, чтобы обеспечить возможность внедрения осуществимости центрирования подложек для подложек с уже существующим рисунком, куда должны быть добавлены дополнительные элементы. Имеется возможность измерять точное положение подложки на столике после загрузки подложки, используя автономный оптический канал и ПЗС камеру, чтобы определить координаты системы относительно множества отметок центровки, существующих на подложке. Затем, во время экспозиции положение столика корректируется в х- и y-направлениях на основе измеренных положений отметок центровки. Вращательная центровка достигается посредством использования системы сервомотора столика для того, чтобы следовать за вращаемой системой координат, а также посредством вращения прецизионного столика ПМС модулятора, как описано ранее.

Произвольный рисунок данных произвольного формата преобразуется в сжатую растеризованную карту пикселей с 32- (5-разрядными) яркостными уровнями на пиксель в устройстве 610 растеризации рисунков. Поскольку уровни яркостной шкалы экспонированного пикселя не являются линейными в ответ на напряжение, приложенное к электроду пикселя, входные данные линеаризуются в устройстве 611 линеаризации пикселей таким образом, чтобы 32 яркостных уровня соответствовали равномерному увеличению дозы экспозиции для каждого последующего уровня. Это осуществляется с помощью 8-разрядного цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 612, где каждый яркостный уровень из карты пикселей выбирает напряжение из ЦАП-преобразователей согласно предварительно эмпирически откалиброванной функции линеаризации. Дополнительное смещение при выборе аналогового уровня из ЦАП-преобразователей осуществляется с использованием справочной таблицы, в которой каждое значение соответствует пикселю ПМС модулятора, и каждое такое значение корректирует аномалии соответствующего пикселя. Значения калибровки в справочной таблице производятся с использованием эмпирической процедуры калибровки, в которой ряд контрольных рисунков посылается в ПМС модулятор, и результирующие экспонированные рисунки измеряются и используются для индивидуальной коррекции пикселей. Это означает, что каждый яркостный уровень в карте пикселей выбирает аналоговое напряжение, производящее деформацию пикселя для каждого соответствующего пикселя ПМС модулятора, чтобы дать скорректированную дозу экспозиции.

Адаптация для КУФ-излучения

Для того чтобы вышеописанный генератор рисунков можно было использовать для КУФ-излучения, требуются некоторые модификации. Такое модифицированное устройство изображено на фиг.7. В этом устройстве ПМС модулятор является отражательным и освещается КУФ-излучением, испускаемым 701 источником КУФ-излучения. Для того чтобы сделать лучи света по существу параллельными прежде, чем они достигнут ПМС модулятора, используется одно или предпочтительно несколько осветительных зеркал 702. Затем, для фокусировки луча на подложку используется одно или несколько проекционных зеркал 703. Эти проекционные зеркала (формирующие изображение линзы) предпочтительно имеют кольцеобразное поле, и пространственный модулятор света предпочтительно имеет кольцеобразную апертуру. Устройство и, по меньшей мере, оптическая схема предпочтительно помещается в кожух и вакуумируется. Такое устройство для КУФ-излучения могло бы использоваться для создания рисунков с чрезвычайно высоким разрешением, таких как рисунки с линиями шириной 50 нм.

Ссылки

Нельсон, 1988 г.: патент США №5148157.

Kuck, 1990 г.: Европейский патент ЕР 0610183.

Sandstrom и соавт., 1990 г.: Европейский патент ЕР 0467076.

Реферат

Использование: изобретение относится к устройству, предназначенному для создания рисунка с чрезвычайно высоким разрешением на заготовке, например, такого как рисунок на полупроводниковом чипе с линиями шириной 50 мм. Сущность изобретения: устройство содержит источник для испускания электромагнитного излучения в диапазоне длин волн 100 нм и ниже, пространственный модулятор, имеющий множество пикселей, электронную систему обработки и подачи данных, принимающую цифровое описание рисунка, подлежащего записи, выделяющую из него последовательность частичных рисунков, преобразующую упомянутые частичные рисунки в сигналы модулятора и подающую упомянутые сигналы в модулятор, и прецизионную механическую систему для перемещения упомянутой заготовки и/или проекционной системы друг относительно друга. Оно также содержит электронную систему управления, координирующую перемещение заготовки, подачу сигналов в модулятор и интенсивность излучения, так, чтобы упомянутый рисунок сшивался вместе от частичных изображений, созданных последовательностью частичных рисунков. Техническим результатом изобретения является создание генератора рисунков, использующего для освещения источник электромагнитного излучения в диапазоне длин волн 100 нм и ниже. 7 з.п. ф-лы, 7 ил.

Формула